【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 個(gè)密閉結(jié)構(gòu)中 （ 如管殼內(nèi) ） ， 除激光器 （ LD） 芯片外 ， 還配置其他元件以及一些為實(shí)現(xiàn) LD工作所必要的電路結(jié)構(gòu)的集成器件 。 其他元件和必要電路可能包括： 1) 光隔離器： 其作用是防止 LD輸出的激光反射影響 ， 實(shí)現(xiàn)激光的單向傳輸 ， 它位于 LD的激光輸出邊 。 有自由空間型隔離器和尾纖型隔離器等 ， 根據(jù)偏振形式又可分為偏振相關(guān)和偏振無關(guān)兩種類型 。 2) 背光監(jiān)視光電二極管： 其作用是監(jiān)視 LD的輸出功率變化 ， 是 APC（ 自動(dòng)功率控制 ） 電路中需要用到的必不可少的元件之一 。 它位于 LD的背面出光面 。 3) 尾纖和連接器： 根據(jù)不同的需要 ， 選擇不同的尾纖和連接器 。 39 4） LD的驅(qū)動(dòng)電路（包括電源和 LD芯片之間的阻抗匹配電路）。 5） 熱敏電阻： 其作用是根據(jù)熱敏電阻的阻值隨溫度變化的規(guī)律，通過監(jiān)測(cè)其阻值的變化來監(jiān)測(cè)組件內(nèi)部的溫度變化。在有致冷的組件中，它是 ATC（ 自動(dòng)溫度控制）電路的重要元件之一。 6） 熱電致冷器（ TEC）： 一種半導(dǎo)體熱電元件，通過改變熱電元件的極性可以達(dá)到加熱和致冷的目的。 根據(jù)具體需要，激光器組件內(nèi)部元件會(huì)有很大差別，同時(shí)所采取的封裝形式也會(huì)有所不同。所謂封裝，是指將形成一個(gè)激光器組件所必須的元件和電路部分結(jié)合在一起組成最終的可直接使用的產(chǎn)品的工藝過程。不同的封裝形式（比如同軸封裝和蝶型封裝），其產(chǎn)品生產(chǎn)工藝過程是不一樣的；即使同一種同軸封裝，尾纖型和插拔型的生產(chǎn)工藝過程也是迥然不同的。在此，我們不就各種封裝工藝做具體介紹，因?yàn)檫@涉及到很多其他方面內(nèi)容。我們只就公司現(xiàn)有產(chǎn)品簡(jiǎn)要介紹一些主要的封裝形式，讓大家能有一個(gè)了解。 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 40 光器件基礎(chǔ)知識(shí) Butterfly 蝶型封裝激光器組件 Pigtailed Coaxial 同軸尾纖型封裝激光器組件 41 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 同軸插拔型封裝（ TOSA Package） 42 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 半導(dǎo)體激光器組件的常用參數(shù)和測(cè)試方法 1. 半導(dǎo)體激光器組件的絕對(duì)最大額定值 絕對(duì)最大額定值是指： 在任何情況下都不能超過的極限值，超過這些極限值可能導(dǎo)致器件的立即破壞或永久損壞。所有光電參數(shù)最大的額定值都是在 25℃ 大氣環(huán)境下確定的。 它包括下面幾項(xiàng)： 1) 存貯溫度（ Tstg）： 指當(dāng)器件存貯在一個(gè)非工作條件中時(shí)，絕對(duì)不能超過的溫度（大氣環(huán)境）范圍。 2) 工作的管殼溫度（ TOP）： 指當(dāng)器件在處于工作狀態(tài)時(shí)，絕對(duì)不能超過的管殼溫度范圍 3) 光輸出功率（ P0或 Pf）： 指從一個(gè)未損傷器件可輻射出的最大連續(xù)光輸出功率。尾纖型組件既是指尾纖輸出功率；插拔型組件既是指插拔端口輸出功率。 43 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 4) 正向電流（ IF）： 指可以施加到器件上且不產(chǎn)生器件損傷的最大連續(xù)正向電流。 5) 反向電壓（ VR）： 指可以施加到器件上且不產(chǎn)生器件損傷的最大反向電壓。 6) 背光監(jiān)測(cè)光電二極管反向電壓（ VD）： 指可以施加到背光監(jiān)測(cè)的光電二極管上且不產(chǎn)生器件損傷的最大反向電壓。 激光器組件的絕對(duì)最大額定值雖然不是我們需要測(cè)試的項(xiàng)目，但是我們必須對(duì)其要有充分的了解，因?yàn)槲覀儨y(cè)試時(shí)直接接觸的就是各種組件，我們的每一步操作都必須嚴(yán)格限制在各種組件的絕對(duì)最大額定值范圍以內(nèi)，否則，就有可能對(duì)器件造成永久性損或損壞。 44 2. 半導(dǎo)體激光器組件的光電特性參數(shù)及其測(cè)試方法 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 激光器組件的光電特性參數(shù)一般都是在 25℃ 管殼溫度下（或在有致冷器組件的激光器芯片上）確定的，除非另做詳細(xì)說明。其主要光電特性參數(shù)有以下幾項(xiàng)： 1) PIV特性： 激光器組件的 PIV特性指的是： 其輸出光功率和正向輸入電流以及正向電壓之間的關(guān)系。是激光器組件的重要特性之一，它反映出激光器組件的多項(xiàng)性能指標(biāo)。 我們現(xiàn)在所使用的測(cè)試系統(tǒng)如 ILX、 KEITHLEY、 武漢理工大學(xué)等都具備測(cè)試PIV特性的功能。 ? PIV特性的基本測(cè)試方法和原理： 45 如圖所示，其中， D為被測(cè)激光器； ATC為自動(dòng)溫度控制裝置； G為直流電流源； V為電壓表； mA為電流計(jì)； P為光功率計(jì)； Rc為保護(hù)電阻。 測(cè)試時(shí)，開啟 ATC自動(dòng)溫度控制電路（對(duì)于無致冷器件，規(guī)定測(cè)試時(shí)管殼溫度為 25℃ ），設(shè)置直流電源輸入電流按適當(dāng)步長(zhǎng)增加。通過計(jì)算機(jī)掃描其各個(gè)電流值時(shí)的輸出光功率和正向電壓值并繪制出 P－ I－ V曲線。然后通過一定的計(jì)算方法，對(duì)曲線及數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，從而得出各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)。我們現(xiàn)在所使用的測(cè)試系統(tǒng)就是按照該測(cè)試原理將各個(gè)設(shè)備集成化的產(chǎn)品。 光器件基礎(chǔ)知識(shí) GATC DVR cmAPP－ I－ V特性測(cè)試原理框圖 46 光器件基礎(chǔ)知識(shí) ? 測(cè)試項(xiàng)目： 正向電壓（ VF）： 指當(dāng)正向驅(qū)動(dòng)電流為一確定值時(shí)（如對(duì)于某些 LD， IF＝Ith＋ 20mA）， 對(duì)應(yīng)的激光器的正向壓降。也可以認(rèn)為是指激光器組件在額定輸出光功率 P0處的正向壓降。 伏安（ V－ I） 特性： 激光器是半導(dǎo)體二極管，它具有半導(dǎo)體二極管的特性。通過測(cè)試激光器的 V－ I特性，可以反映出其結(jié)特性的優(yōu)劣，同時(shí)通過大電流下的正向 V－ I特性，我們還可以估算出其串聯(lián)電阻值。下圖示出了一般激光器的 V－ I曲線。 4 20 1u(V)21i(mA)651047 光器件基礎(chǔ)知識(shí) P－ I曲線、閾值電流： P－ I曲線指的是激光器組件輸出光功率與注入正向電流的關(guān)系曲線。如右圖所示。隨著正向電流的增加，激光器首先是漸漸地增加自發(fā)輻射，直至它開始發(fā)射受激輻射，產(chǎn)生激光。我們把激光器開始產(chǎn)生激光發(fā)射時(shí)的正向驅(qū)動(dòng)電流稱之為閾值電流。用符號(hào) Ith表示。 注：閾值電流的測(cè)試方法 —— 是依據(jù) P－ I曲線的測(cè)試數(shù)據(jù)，通過一定的計(jì)算方法得出的。 主要計(jì)算方法有下面兩種： 熒光輻射段0 .60 .20 .4P (m W)I th5 100 .81 .0P (m W)受激光輻射段I (m A)I (m A)20 30 40I thd PdI F22a. P－ I曲線上分別作出熒光輻射段與激光輻射段的切線，其交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流值即為被測(cè)激光器的閾值電流值。 b. 在 P－ I曲線上作出輸出輻射光功率對(duì)正向電流的二階導(dǎo)數(shù)曲線，該曲線上出現(xiàn)第一個(gè)極大值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的正向電流值即為被測(cè)激光器的 Ith。 48 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 激光器組件輸出光功率的線性度（％）： 輸出光功率的線性度是衡量實(shí)際輸出光功率偏離理論輸出光功率的一個(gè)量。用百分?jǐn)?shù)表示。 目前可接受的計(jì)算方法有三種： a. 一次微分法 ： 通過對(duì) P－ I曲線微分并規(guī)定限制微分變化測(cè)量所有線性。測(cè)量過程可與拐點(diǎn)（ Kink點(diǎn)）測(cè)試一起完成。 如左圖所示。 b. 諧波法： 通過把光電曲線變換為頻譜曲線，能夠識(shí)別其非線性特征。通過把激光器偏置設(shè)置在 50％最大額定光功率輸出，并在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)用正弦調(diào)制信號(hào)來掃描可以完成這種變換。此方法必須使用線性的探測(cè)器來探測(cè)光輸出。探測(cè)器的電輸出被送到頻譜分析儀。其反應(yīng)出來的二階（三階或更高階）諧波就是其非線性的證據(jù)。（ 此方法一般在測(cè)量模擬傳輸用的高線性器件時(shí)才用到。） I(mA)P(mW)dP/dI光輸出飽和49 光器件基礎(chǔ)知識(shí) c. 圖形分析法 ： 標(biāo)出 P－ I曲線上對(duì)應(yīng)的 10％及額定光功率點(diǎn)，通過兩點(diǎn)畫一直線并測(cè)量實(shí)際 P－ I曲線偏離這條線的最大變化。如左圖所示。功率線性度可表示為 —— I(mA)P(mW)10 %P th P 0P 實(shí)際P 理論 拐點(diǎn)（ Kink點(diǎn)）： 指的是 P－ I曲線上光功率出現(xiàn)非線性變化的點(diǎn)。其測(cè)試方法如前介紹光功率線性度時(shí)所述，通過一階微分法。通過選取足夠小的電流步長(zhǎng)（≤ ）， 對(duì) P－ I曲線進(jìn)行一階微分。其導(dǎo)數(shù)曲線圖可以說明其拐點(diǎn)位置和線性度范圍。 50 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 光輸出飽和度： 光輸出飽和度是指理想的線性響應(yīng)光輸出的跌落。如果 P－I曲線上有過多的彎曲（也稱 “ 翻轉(zhuǎn) ” ），則認(rèn)為該激光器的光輸出是飽和的。同樣，我們可以通過一階微分法，計(jì)算曲線上的最大的跌落即可測(cè)量出飽和度。 P－ I曲線的斜率（％）： 我們使用半導(dǎo)體激光器，除了希望低的閾值電流（ Ith） 外，還希望使用最小的電流就能得到越來越大的光輸出功率。也就是說，在慢慢地注入電流后，能夠獲得快速增加的光功率。這就是我們通常所說的斜向效率。即是指在 Ith以上的 P－ I曲線的斜率，用 Δ P/Δ I表示。其單位是 W /A或 mW/mA。 其測(cè)試方法如右圖所示。 5 10 3020 40I(mA)P(mW)Δ IΔ P51 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 特征溫度（ T0）： 在大多數(shù)應(yīng)用中，總是希望激光器能在溫度升高時(shí)繼續(xù)正常工作，尤其是大功率激光器更是如此。表征這種性能的參數(shù)就是特征溫度，用 T0表示。它是衡量激光器對(duì)溫度敏感度的一個(gè)參數(shù)。較高的意味著當(dāng)溫度快速升高時(shí)，激光器的 Ith和 Δ P/Δ I變化不大。也可將T0理解為激光器的熱穩(wěn)定性。其測(cè)試方法是在各種溫度下測(cè)量激光器的 P－ I曲線，然后將結(jié)果列表，然后計(jì)算出 T0的值。如左圖所示，首先我們?cè)诓煌瑴囟认聹y(cè)出相應(yīng)的 P－ I曲線。然后，通過下式求出 T0值。 I(mA)P(mW)20 176。 C 30 176。 C40 176。 C50 176。 C60 176。 C70 176。 C80 176。 C52 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 右圖是通過圖解法來求 T0的方法： 10 20 4030 50 60 70 80溫度 176。 Cln （Ith ）通過擬合直線，計(jì)算其斜率即可得出 T0值。 53 光器件基礎(chǔ)知識(shí) GATC DR cGLD PDP2） 背光探測(cè)器監(jiān)測(cè)光電流 Im： 激光器組件內(nèi)部通常都帶有背光探測(cè)器，其作用就是通過監(jiān)測(cè)激光器背光變化來反饋給 APC電路以達(dá)到控制激光器正向光穩(wěn)定輸出的目的。這項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試現(xiàn)在也已經(jīng)集成到了我們所使用的 P－ I－ V測(cè)試系統(tǒng)中。其測(cè)試原理如下圖所示。 54 3） 光譜特性： 光譜其實(shí)就是一種電磁波譜，電磁波譜分為長(zhǎng)波區(qū)、光學(xué)區(qū)、射線區(qū)。光電技術(shù)只涉及光學(xué)譜區(qū)。在光學(xué)譜區(qū)內(nèi)，具有相同的輻射與吸收機(jī)理，許多輻射源的光譜分布和接收器的靈敏閾都同時(shí)覆蓋此區(qū)域。 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 55 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 測(cè)試原理如右圖所示。其中 M為光譜儀。 GATCDR cM測(cè)試項(xiàng)目： a) 峰值波長(zhǎng)（ λ P） —— 在規(guī)定輸出光功率時(shí)，光譜內(nèi)若干發(fā)射模式中最大強(qiáng)度的光譜波長(zhǎng)被稱為峰值波長(zhǎng)（ λ P）。 b) 中心波長(zhǎng)（ λ c） —— 在激光器光譜中，連接 50％最大幅度值線段的中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為中心波長(zhǎng)（λ c）。 c) 平均波長(zhǎng)（ λ mean） —— 所有光譜模式的加權(quán)平均值，把幅度大于峰值 2％的模式均計(jì) λ 。 56 d） 光譜寬度（ Δλ ） —— 在規(guī)定輸出光功率時(shí)，光譜內(nèi)若干發(fā)射模式中最大強(qiáng)度的光譜波長(zhǎng)被稱為峰值波長(zhǎng)（ λ P）。 對(duì)于不同類型的激光器產(chǎn)品，我們采用不同的計(jì)算方法。如 F－ P型（多縱模）激光器組件，采用 最大均方根（ RMS） 寬度 定義 Δλ 。 在規(guī)定的光輸出功率下測(cè)量光譜寬度。其值由下式確定： 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 如 DFB型（單縱模）激光器組件，采用 － 20dB寬度來定義。即在規(guī)定光輸出功率下主模中心波長(zhǎng)的 最大峰值功率跌落－ 20dB時(shí)的最大全寬 定義為 Δλ 。 57 e） 邊模抑制比（ SMSR） —— 在發(fā)射光譜中，在規(guī)定的輸出光功率和規(guī)定的調(diào)制（或 CW） 時(shí)最高光譜峰強(qiáng)度與次高光譜峰強(qiáng)度之比。該參數(shù)僅用于單頻（單縱模）激光器，如 DFB激光器的光譜測(cè)試中。 f） 中心波長(zhǎng)的溫度依賴性 —— 激光器的中心波長(zhǎng)比例于它的工作溫度，隨溫度升高，激光器的中心波長(zhǎng)會(huì)隨之增加。下圖示出了 DFB激光器的中心波長(zhǎng)隨溫度漂移的示意圖。 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 相對(duì)強(qiáng)度波長(zhǎng)λ p λ p39。58 4） 激光器組件的調(diào)制特性： 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 測(cè)試項(xiàng)目： a) 調(diào)制電